电压暂降及其抑制措施

摘要：本文从电能质量概念和发展背景入手，介绍了社会的发展对电能质量需求的现状。接着对电压暂降的概念进行了简单的介绍，分析造成电压暂降的主要原因，讨论了电压暂降的抑制措施，着重比较了UPS、DVR、SSTS的优缺点及各自的适用范围。
关键词：电能质量 电压暂降 原因 抑制措施
1 电能质量的概念及背景
电能是一种特殊商品，与国民经济的发展息息相关。其质量的优劣直接影响到电网和电气设备的经济、安全运行，对于人民生活和生产以及工业产品的质量有着特别重要的意义。电能质量（power quality）是指电力电网对用户的供电质量和用户对电力电网的干扰水平。电网对用户的供电质量一般用电压大小、频率、谐波、电压波动和闪变、三相电压不平衡度等参数描述。
一直以来，人们已经习惯电能质量和供电可靠性是相同的概念。过去在谈到供电质量时候，多用停电次数和停电时间来衡量。但是随着高科技设备的使用，设备和工艺对于电能质量的要求提高，当代电网负荷组成已经发生了较大变化。当然，电压暂降一次的损失可能大大小于停电一段时间的损失，但是电压暂降发生的频率缺大大大于停电的概率。比如，半导体厂一次时间极短的电压暂降就有可能使生产线产品报废，甚至一次电压暂降就可能造成几百万元的经济损失。
 
2电压暂降问题的相关概念
电压暂降（Voltage Sag/Dip）通俗说法是“短时间电压下降”，即为短时间电压下降超出正常电压允许偏差值，并且在经历半个公频周期至1min后又恢复正常电压值。电压暂降最小值和电压额定值的差被定义为电压暂降的深度。美国IEEE对电压暂降的定义为：电压有效值下降，并持续10ms-1min。
在我国，随着上世纪末科学技术的持续发展，工业规模也不断扩大，新的工艺和技术开始大范围用于生产和生活的各方面，一些性能好、效率高的高科技设备被越来越多的用户采用，但是这些设备往往对电源特性的变化高度敏感，最终使得电力用户不断提高对电能质量的要求。电压暂降问题也就变得越来越突出。
目前电压暂降给国内的半导体、煤矿、汽车、纺织等行业造成的直接经济损失每年可达几十亿，而间接经济损失更加不可估量。深入开展电能质量治理已经涉及到了国家电力体制改革以及招商引资环境，以至于上升到了社会文明程度的必然需求。
 
3电压暂降产生的原因
电压暂降发生的原因可归结为系统类、变压器类、负荷类三种。系统类为开关操作、短路故障等；变压器类指的是由变压器励磁涌流造成的电压暂降；负荷类主要是由于大型感应电动机启动和大容量负荷投切等。
电力系统在运行中，引起电力系统短路的原因可能是电缆损坏、设备故障、雷击等。短路发生后，短路点附近电压下降，即发生电压暂降；当故障清除或者短路点与系统快速隔离，短路点附近电压就会恢复正常，意味着电压暂降结束，所以电压暂降时间取决于故障清除或隔离的时间。短路故障由于故障瞬时电流一般较大，引起的电压暂降也较为严重，成为灵敏设备误动作的主要原因。短路故障总共两类：一类是三相短路故障，此为对称电压暂降，二类是包括单相短路接地、两相短路和两相短路接地的不对称电压暂降。
当变压器终端电压发生剧变时，铁芯的饱和效应可能产生较大的激磁涌流。一般变压器激磁电流可以达到6-8倍的变压器额定电流值，在系统阻尼的作用下，几秒钟后励磁电流恢复到正常值。根据生产实践经验可知，电源强度，铁芯剩余磁通等因素会影响变压器的饱和磁通。在变压器铁芯磁通饱和期间内，三相电压相位相差120度，电源阻抗分压在励磁电流的影响下增加，会引发PCC电压暂降，又由于三相励磁电流大小不同，故三相电压暂降发生的程度也会不同，由此可知变压器励磁电流引起的是不对称电压暂降。
感应电动机具有运行可靠、结构简单等特点，已经在日常工作生活和工农业生产中得到大范围运用，其在电网中的负荷比例达到60%以上，是最重要的负荷。感应电动机由于是感性负荷，它的投切过程即起动过程会引起附近区域的电压暂降。当电动机启动时，定子电流增大为额定电流的5～6 倍，电源阻抗分压也会增加，造成PCC（公共连接点） 发生电压暂降。所以，大容量感应电机的地洞也是引起电压暂降发生的一个重要原因。
 
4 电压暂降的抑制措施
电压暂降问题可以通过改造公用电网，降低发生故障的可能性得以解决。首先是减少故障次数，常用方法有定期巡视线路进行剪树作业，架设绝缘导线，架空线转为入地电缆等。这种方法可以通过降低故障发生的频率，从而直接降低电压暂降的频率。其次，可以提高切除故障的速度，越快的切除故障，越有助于电压水平的恢复，若能加快切断故障的时间必将减小电压暂降的影响，而这需要改进保护技术，需要继电器和断路器的技术更新，由于现有的切断故障时间已经很短，此方面改进需要大量的经济和科技投入。最后，可以对电网设计和运行工作进行改进，对于对电能质量要求较高的精密工业用户，可以在电网设计时采用限制同一供电母线上的架空馈线，并加装相应的一些补偿装置，实现特殊用户特殊对待。                       
解决电压暂降问题还可以通过加装补偿装置时限。常用装置为UPS（不间断电源- uninterrupted power supply）、DVR(动态电压恢复器- Dynamic Voltage Restorer )、SSTS(固态切换开关- Sol id State Transfer Switch) 等。
UPS不间断电源，是一种含有储能装置（一般为蓄电池），以逆变器为主要组成部分的恒压恒频的不间断电源。UPS被用于向设备提供不间断的电力供应，当电网电能输入正常时，UPS 可以起到稳压作用，同时若蓄电池电压不足，外部电网将对其进行充电；当市电中断（事故停电）时， UPS 立即将蓄电池中储存的电能， 通过逆变器转换为交流电源供设备使用，这样可以使负载保持正常工作，不至于损坏负载的软硬件。由此可见，UPS 设备通常对电压过大和电压太低都能提供保护。但是UPS自身也存在一定缺点，因为UPS功率一般较小，而经常以低压供电为主，若是企业敏感负荷容量较大，则需求大功率乃至高压大功率UPS，而蓄电池造价昂贵，后期还设计到定期维护和更换的问题，并且废旧蓄电池本身对环境也是极大的污染，即从经济性和环保性来看，UPS都不是大功率负荷用户的考虑范围。
DVR 是动态电压恢复器，主要用于对供电可靠性和质量要求很高的用户。DVR能够输出一定大小和波形的非周期性电压，当电网输入电压由于各种故障发生不规则突变时，可以通过补偿使负载端电压近视为正常的正弦波，一般这个补偿时间可以持续几十毫秒到几秒钟。DVR装置通过串联在敏感负荷和系统之间，迅速地补偿了电网中的电压暂降、震荡等故障，提高了用户端的电能质量，是保证敏感工业设备不受电压暂降影响的有效办法。根据美国输配电杂志的报导，2000年ABB生产的两台容量为22.5MVA的DVR已经在以色列一家微型处理器制造企业投用，由于其相应时间小，可至1ms，补偿量大，可以补偿该企业500ms单相电压暂降的50%或三相电压暂降的35%，从而可以给该企业节省因电压暂降造成的数百万美元的损失。DVR相对UPS有经济上面的优势，可以节约生产成本，但是也有致命的弱点，即补偿时间超过几秒以上则无法继续补偿，而且当电压低于额定50%以下，或者完全中断时，DVR就无法使用了。
SSTS装置可以用于有多电源供电，并且对电压波动非常敏感的用户供电上。SSTS的工作原理是由于SSTS并非采用传统的机械开关作为切换设备，而是采用半导体固态开关作为切换设备，同事在先进的监测、控制技术基础上，当供电电压波动过大时，能够在2-4ms将现有负荷切换至备用电源，从而实现多电源之间的不间断变换，为单负荷提供两个以上的电源供电。由于其切换速度非常快，对于大多数用户来说，电压暂降和短时中断已经不能产生影响了。SSTS尤其适合大容量负荷或是高压大功率负荷，投资也比高压大容量UPS降低很多，另外建造SSTS的现场施工改造调试方便，在高中压场合是一种理想的电压暂降解决办法。当然SSTS也有一定局限性，一是电源转换仍需要2-4ms的时间，对于要求特别严格的敏感用电企业，这点不满足条件，二是由于现在多数地方电网已经构成地区与地区、城市与城市的环网，双电源供电仍然不能绝对满足在一条线路发生电压暂降时，另外一条线路没有一点变化。
我们还可以通过降低设备对电压暂降的敏感度或影响解决电压暂降问题。除了对系统的改造和加装补偿装置，另外一个方面是用户在选取设备的时候，在考虑经济性的同时，选取对电压暂降敏感度影响较小的设备，以及对电力系统影响小的设备，或是对已有设备进行技术改造。当然对于造成系统暂降发生的大容量电动机负载用户，可以要求他们改变电动机启动方式，比如硬启动改为软启动，降压启动替代全压启动来减小对电网系统的冲击和影响。
 
5总结
随着社会的发展进步，生产生活对电能质量的需求进一步提高，电力系统运行、维护、研究人员对电压暂降问题的越来越重视。电压暂降问题的解决方式很多，但是首先面临的问题是查找电压暂降发生的原因。相信随着科技进步，计算机应用的发展，越来越多的电力系统问题可以通过仿真后寻找原因和解决的方法，甚至通过仿真还能发现一些还未发生的故障，进而提前采取相应预防措施。
 
 
参 考 文 献
 
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